Yagi-Uda-Antenne
Eine Yagi-Uda-Antenne (häufige Bezeichnung auch Yagi-Antenne) ist eine Richtantenne zum Empfang oder zum Senden elektromagnetischer Wellen im Bereich von etwa 10 MHz bis rund 2500 MHz. Sie besteht aus einem gespeisten Dipol, einer Reihe von Direktoren vor und meist einem Reflektor hinter dem Dipol.
Geschichte
Die Yagi-Uda-Antenne wurde ab 1924 von den Japanern Hidetsugu Yagi und Shintaro Uda entwickelt. 1926 veröffentlichten sie die erste Beschreibung in einer japanischen Zeitschrift. Im Juni 1928 wurde in den USA ein englischer Artikel von Yagi veröffentlicht,[1] sodass die Antenne im deutschen Sprachraum meist nur Hidetsugu Yagis Namen trug. Während das japanische Patent beide Erfinder aufführt[2], nennen die Grundpatente für andere Länder nur Yagi als Erfinder.[3] Der korrekte Name Yagi-Uda-Antenne wird nur selten verwendet. 1930 wurde ein Gerät mit Yagi-Uda-Antenne, das auf einer Wellenlänge von 45 cm Verbindungen über 20 km ermöglichte, auf einer Weltausstellung in Belgien gezeigt.[4] Im Zweiten Weltkrieg wurden Yagi-Antennen, teilweise mit Parabolspiegeln, für Radar eingesetzt.[5] Rasch wurde die Bauform in Europa und Nordamerika kommerziell verwertet und verbreitete sich auch im Amateurfunk wegen ihrer selbstbautauglichen Konstruktionsweise bei gutem Antennengewinn.[6] Anfang der 1950er-Jahre wurde die Bauform für Randgebiete des Empfangsgebiets von Fernsehsendern beliebt.[7]
Aufbau
Charakteristisch für die Yagi-Uda-Antenne ist ein Dipol, der durch mindestens einen oder eine Reihe von entsprechend angeordneten Direktoren und ggf. Reflektoren eine Richtwirkung erhält.[8]
Der Dipol (1), im Bild rechts als Faltdipol ausgeführt, wird über die Zuleitung (4) gespeist. Der Dipol hat eine Länge von knapp einer halben Wellenlänge (λ/2) der zu empfangenden Funkwellen. Sie ist wegen dessen Dicke etwas kleiner als λ/2 im Vakuum. Die Direktoren (3) sind etwas kürzer, die Reflektoren (2) etwas länger als der Dipol. Dipol, Reflektor und Direktoren sind nicht elektrisch verbunden, sondern nur über das elektromagnetische Feld gekoppelt. Sie können jedoch in der Mitte der Elemente auf einem gemeinsamen leitenden Trägerstab montiert werden, weil dort Spannungsknoten liegen. Der Abstand von Reflektor(en) und Dipol beträgt zum Beispiel ca. 0,15 λ, von Dipol und erstem Direktor beispielsweise 0,1 λ; dabei kann durch geeignete Wahl von Elementlänge und -abstand der Gewinn auf Kosten der Bandbreite verbessert werden oder umgekehrt. Etwa der erste Direktor und der Dipol bilden zusammen das Strahlungszentrum, daher ist der Reflektorabstand geringer als eine Viertel-Wellenlänge.
Eigenschaften
Die Gesamtlänge der Antenne bestimmt die Verstärkung und Richtwirkung. Die geeignete Wahl der Parameter Länge, Abstand, Durchmesser und Anzahl der Direktoren optimiert die Antenneneigenschaften.
Eine dreielementige Yagi-Uda-Antenne der Länge 0,3 λ liefert einen Antennengewinn von 4–8 dBd. Bei einer Länge von 4 λ (15–30 Direktoren) verstärkt sie mit ca. 15 dBi und erreicht einen Öffnungswinkel kleiner 40°.
Bei Einzelantennen für den UHF-Bereich werden etwa 18 dBi erreicht.
Die praktische Obergrenze für den Antennengewinn liegt bei 20 dBi. Durch die Zusammenschaltung mehrerer Einzelantennen zu einer Antennengruppe, in der Regel bis zu 4 Stück, kann der daraus resultierende Antennengewinn noch weiter erhöht werden.
Der Strahlungswiderstand, der für die richtige Anpassung bedeutsam ist, hängt insbesondere vom Abstand des Dipols zum ersten parasitären Element ab. Im Amateurfunkbereich sind Abstimmungen auf 50 Ohm oder auch 28 Ohm häufig anzutreffen, bei Rundfunkantennen sind 75 Ohm und 240 Ohm üblich.
Arbeitsweise
Der aktive Dipol erregt die parasitären Elemente, also den Reflektor und die Direktoren. Die parasitären Elemente wirken ebenfalls als Strahler, die allerdings phasenverschoben zum aktiven Dipol strahlen. Durch die vom Dipol abweichende (resonante) Länge ergeben sich induktive bzw. kapazitive Verhaltensweisen, mit entsprechenden Phasenverschiebungen der Ströme in den Elementen. Die Phasenverschiebung wird so nicht nur durch die Laufzeit zu der Elementposition auf dem Längsträger (dem sogenannten Boom), sondern auch durch die Länge des Elementes bestimmt. Die Schwingung des Erregers wird von Direktor zu Direktor weitergereicht. Die Verzögerung von Direktor zu Direktor stellt sich als Phasengeschwindigkeit dar, die abhängig von dem Verhältnis der geometrischen Antennenlänge zur Wellenlänge das etwa 0,7- bis 0,98-Fache der Lichtgeschwindigkeit erreicht.
Das Fernfeld der Yagi entsteht letztlich aus der richtungsabhängigen und phasenabhängigen Überlagerung der Strahlungsanteile aller Elemente der Yagi-Uda-Antenne. In Richtung des Booms (vorwärts) überlagern sich die Feldanteile konstruktiv (ergänzend), rechts und links davon ist die Überlagerung dagegen mit steigendem Winkel schnell destruktiv (auslöschend), wodurch sich die gewünschte Vorzugsrichtung ergibt.
In der einschlägigen Fachliteratur finden sich verschiedene Angaben für ein „Optimaldesign“, die jeweils unterschiedliche Abstufungen der Elementlängen und Abstände vorschlagen. In Experimenten konnte hier nachgewiesen werden, dass geringe kontinuierliche Längen- und Abstandsvariationen zu höheren Gewinnen führen, als bei einfacher Ergänzung „kurzer“ Antennen mit weiteren Elementen gleicher Länge und gleichem Abstand. Zurückgeführt wurde dies auf die Betrachtung der Yagi-Uda als „Wellenleiterstruktur“, auf der sich (ausgehend vom gespeisten Dipolelement) eine Wanderwelle in Richtung Antennenspitze ausbreitet. Die Elementvariation soll hier laut Theorie einen verbesserten Übergang zum Freiraum herstellen.
Einsatzgebiet
Selbst gebaute Yagi-Uda-Antenne für die Verbesserung einer WLAN-Verbindung.[9]
Lang-Yagi-Uda-Antenne für das 70-cm-Amateurfunk-Band.
Zwei Yagi-Uda-Hausantennen für den Fernsehempfang (Mitte). Der Reflektor der oberen Yagi-Antenne ist als Gitter ausgeführt.
Antennenarray aus sechs Yagi-Uda-Antennen mit Kreuzdipol (2 m/137 MHz) für Kommunikation mit Satelliten.
Yagi-Gruppenantenne, für Erde-Mond-Erde-Verbindungen
Yagi-Uda-Antennen können auch noch bei sehr hohen Frequenzen verwendet werden, so zum Beispiel für den Empfang von Meteosat (1690 MHz). Dort kommen Antennen mit bis zu 30 Elementen und Antennengewinnen von bis zu 16 dBd zum Einsatz. 2020 stellten Physiker der Universität Würzburg sogar eine Yagi-Uda-Antenne mit weniger als einem Mikrometer Länge zur Abstrahlung von Lichtwellen vor.[10] Oberhalb von etwa 2 GHz können die gewünschten Abstrahleigenschaften jedoch mit anderen Antennentypen, beispielsweise Hornstrahlern, besser erreicht werden.
Funkamateure verwenden oft drehbare Yagi-Uda-Antennen aus drei oder mehr Elementen in den Wellenbereichen von 0,1 m bis 40 m (3 GHz bis 7,5 MHz). Yagi-Uda-Antennen für größere Wellenlängen sind selten, weil die Elemente dann sehr groß und schwer werden.[11] Zudem erfordern solche Antennen wegen des Bodeneffektes eine Aufbauhöhe von wenigstens einer halben Wellenlänge. Des Weiteren werden alternative Bauformen wie der Hexbeam verwendet.
Teilweise werden Yagi-Antennen auch im Kurzwellenrundfunk eingesetzt.
Literatur
- Eberhard Spindler: Das große Antennen-Buch. 11. Auflage. Franzis-Verlag, München 1987, ISBN 3-7723-8761-6
- Alois Krischke: Rothammels Antennenbuch. 11. Auflage. Franckh-Kosmos-Verlag, Stuttgart 1995, ISBN 3-440-07018-2
Weblinks
Einzelnachweise
- H. Yagi: Beam Transmission of Ultra Short Waves. In: Proceedings of the IRE. Band 16, Nr. 6, Juni 1928, S. 715–740 (ieee.org [abgerufen am 13. April 2010]).
- The true story of Yagi Antenna. In: The DX Zone. 25. November 2014, abgerufen am 9. Mai 2020 (englisch).
- 特許第69115号, Patent DE475293., Patent FR619932., Patent GB263753., Patent GB263752., Patent US1745342., Patent US1860123.
- 八木・宇田アンテナ. Research Institute of Electrical Communication, Universität Tōhoku, abgerufen am 9. Mai 2020 (japanisch).
- Roger I. Wilkinson: Short Survey of Japanese Radar—I. (PDF; 1,2 MB) In: Electrical Engineering, Bd. 65 (Aug.-Sept. 1946). 1946, S. 374, abgerufen am 9. Mai 2020 (englisch).
- Birth of Radioastronomy (Ⅷ). In: The History of Amateur Radio. Abgerufen am 9. Mai 2020 (englisch).
- Harold Harris: http://rfcafe.com/references/radio-news/yagi-antenna-radio-television-news-october-1951.htm. In: Radio & Television News. Ziff-Davis, Oktober 1951, abgerufen am 9. Mai 2020 (englisch).
- W. Walkinshaw: Theoretical treatment of short Yagi aerials. In: Electrical Journal of the Institution of Engineers – Part IIIA: Radiolocation. Band 93, Nr. 3, 1946, S. 598–614.
- Johannes Endres: Die 0-Euro-Antenne. WLAN-Antenne aus Abfällen selbst bauen. Heise Zeitschriften Verlag, 26. September 2008, abgerufen am 9. Juli 2020.
- Nano-Antennen für den Datentransfer. Pressemitteilung. Universität Würzburg, 8. Januar 2020, abgerufen am 9. Mai 2020.
- Tower 7 (M7) Radio Arcala Mammoth 160/80M Beam in a Nutshell. Radio Arcala, abgerufen am 28. Dezember 2014 (englisch).